天然氣輸氣站場智能分輸控制過程分析

梁曉龍，牛生輝

(陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710016)

針對目前某公司天然氣分輸站場工人操作頻繁，尤其夜間容易造成誤操作等不安全因素，通過分析供氣支路工藝流程及下游用戶用氣結構，研究智能分輸的算法特點，利用站控系統自動控制用戶氣量，達到降本增效、安全高效運行、提高能源利用率的目的。本文通過試點站場的自動化分輸功能，為今后該公司推行無人值守站場積累技術和管理經驗。

1 輸氣站場站控系統及支路現狀

1.1 站控系統

數據采集與監視控制系統(SCADA)的控制模式分為三級： 第一級為中心控制，該級具有對全線及各站場進行監控、調度管理和優化運行等功能；第二級為站場控制，設置在站場的自動化監控系統，可實現對站內工藝變量及設備運行狀態的數據采集、監視控制及聯鎖保護，可與調控中心實時交換數據；第三級為就地控制，在站場控制系統由于通信、電力故障等意外情況下，不能完成對現場設備執行遠程控制而由人工就地進行的操作控制方式。站控系統的具體功能如下。

1)控制功能。閥門狀態控制、開度控制，火氣系統報警聯鎖，緊急切斷及安全聯鎖保護等。

2)站場數據監控及顯示功能。溫度、壓力、差壓、流量監測；關鍵設備、閥門狀態及相關參數監測；包括可燃氣體泄漏監測和報警、火焰監測、火災監測與報警的火氣系統監測；其他配套設備設施參數監測。

3)通信功能。光纖及數字鏈路主備通信網絡。

4)其他功能。數據管理，通信管理，系統冗余功能，主備傳輸網絡自動切換，時鐘同步，經通信接口與第三方系統或智能設備交換信息。

1.2 計量調壓支路

站場計量調壓支路工藝流程如圖1所示，計量支路及調壓控流支路前后均有電動控制閥門，KFCV01，KFCV02為電動流量控制閥，通過遠程控制開度，達到控制下游流量的目的。

圖1 計量調壓支路工藝流程示意

2 下游用戶用氣狀況分析

2.1 用戶用氣結構

根據下游用戶用氣特點和供氣規律，可將用戶分為以下6種類型：

1)民用用戶。用氣波峰、波谷較為明顯，用氣隨季節和每天時間波動較大，通常夜間為用氣低谷，需要保證最低供氣壓力。

2)一般工業用戶。持續性用氣，氣量均衡平穩，峰谷差不明顯。

3)綜合性用戶。包括居民和工業用戶，有一定的基礎用氣量，在此基礎上有明顯峰谷差。

4)不可中斷工業用戶。對供氣壓力要求較高，要求供氣量及壓力穩定；某些用戶還對氣質要求較高，例如生產玻璃制品的企業，要求窯溫穩定，燃料組分含量穩定。

5)CNG加氣站等間歇性用戶。不定時用氣，沒有可利用的管存，用氣期間要求壓力穩定。

6)有其他氣源點補充的用戶。以間斷方式供氣。

以上6種用戶類型中居民用戶、一般工業用戶及綜合性用戶有一定的用氣規律，用戶用氣隨時間變化；不可中斷工業用戶要求供氣壓力穩定；CNG等間歇性用戶及有其他氣源點補充的用戶用氣隨機性較大。

針對不同的用戶供氣需求，可采用到量停輸法、不均勻系數法、剩余平均流量法、恒壓控制法4種不同的自動分輸控制算法，并結合相應的輔助控制邏輯，將其整合為一套自動分輸控制程序以適應各種不同用戶自動化控制的需求，實現日指定的自動精準控制。不同用戶供氣需求可采用不同的自動分輸方式，見表1所列。

表1 不同用戶類型的供氣要求及自動分輸方式

2.2 試點站場下游用戶用氣分析

試點站場下游用戶用氣結構見表2所列。

表2 試點站場下游用戶用氣結構

2.3 供氣狀況

分輸站12月連續3 d向城燃供氣小時量見表3所列。

表3 瞬時供氣量數據參數

由表3可看出，給城燃供氣屬于連續性供氣，配壓穩定在0.3 MPa,白天民用及公服加氣、工業全部用氣，小時氣量較大，晚上主要為工業用氣，民用及公服用氣較少，用氣量降低。

3 無人值守站場自動分輸功能實現

無人值守自動分輸控制邏輯如圖2所示。

圖2 無人值守自動分輸邏輯示意

由分輸站小時供氣數據可看出，每日給城燃門站供氣早、中、晚高峰用氣量略高，晚上供氣壓力及用氣量持續穩定，波動較小，可采用不均勻系數法供氣。

不均勻系數法控制邏輯針對連續供氣用戶使用，將用戶24 h用氣分為m個時段，每天早上8：00， 程序根據過去n天各時段累計流量與日累計流量，通過加權平均計算出當日權重系數，每個時段按日指定氣量與相應的權重系數乘積結果控制氣量，從而反向擬合用戶用氣規律，最終達到在一定壓力范圍內控制日指定氣量的目的。

每個時段分輸完畢后，預計時段分輸量與實際時段分輸量比較得到ΔV。ΔV補償在下一時段中，則下一時段接受流量補償后根據時段權重值重新調整該階段的流量設定值，以糾正調壓設備執行誤差或日指定變更誤差，最終達到日指定氣量控制的目的。

為保證供氣的平穩性，每小時分輸量應確定一個波動范圍。分輸權重系數控制邏輯廣泛適用于各類用戶，用戶小時不均勻系數不宜高于0.5。

不均勻系數控制模式首先將每天劃分成若干個時段，根據過去n天用氣規律，計算當天各時段所占的不均勻系數。在每個時段輸氣開始前，根據當日日指定量和該時段的不均勻系數計算當前時段輸氣量分配值并調節流量，如圖3所示。完成當日分輸后，系統保持當前輸氣狀況不變，等待下發新的日指定量，然后重新計算預估偏差率、不均勻系數等參數，第二天開始自動分輸。每個時段的不均勻系數計算如式(1)所示。若輸氣過程中需要更改當日指定氣量，則根據更改后的瞬時均量與之前的瞬時氣量累加，即為調整后的瞬時供氣量。

圖3 不均勻系數法計算的時段供氣量及與總量的對比示意

(1)

式中：Xwt——每個時段的不均勻系數；Vh——過去M天某時段的實際輸氣量， m3；Vd——過去M天每天的總輸氣量，m3。

24 h內隨著時間變化下游用戶瞬時氣量變化曲線如圖4所示，根據實際情況可將曲線劃分為4段，則日累積氣量V如式(2)所示：

圖4 瞬時氣量與時間關系示意

V=V1+V2+V3+V4

(2)

瞬時流量的函數連續可導的，則日累積氣量V計算如式(3)所示：

(3)

假設某一天供氣量見表4所列。由表4可看出所有瞬時量調整周期為2 h，各時段累積氣量總和為一天結算氣量。如果對應時段調整有誤差，則該時段實際不均勻系數與理論計算的不均勻系數有差值，則將該差值累積到下時段調整中，確保及時糾正瞬時氣量，或者日指定氣量有調整，則實際不均勻系數有變化，同樣將差值累計到下時段及時調整，達到按日指定氣量供氣的目的。

表4 小時供氣量及不均勻系數

4 結束語

試點站場實施無人值守模式后，根據自動分輸邏輯，對下游用戶進行智能調峰，避免了人工頻繁操作，降低安全事故發生頻率，提升了站場自動化水平，優化勞動用工，降低了人工成本，提高了公司的管理水平和生產效率。但是無人值守站場對通信、自控系統運行穩定要求更高，對設備的配置及優化尤為重要，因此今后站場工作重點將轉變為設備維護及檢修。在實施過程中發現電動球閥偶爾有卡死現象，分析原因為電動球閥關閥后，前后壓差過大導致無法打開，該公司下一步計劃準備改造試點站場工藝支路關鍵遠控閥門，增加旁通閥及差壓監測，在差壓過大時優先自動開啟旁通閥進行平壓。